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1、Shen HongboShen Hongbo 工 艺 系 列 培 训 课 程 2004年培训 主讲：沈红波 培训师：李国明、张志强、赵 智源、刘杰、雷勇、李宁 Shen HongboShen Hongbo 挤出机螺杆组合原理与应用 工艺系列培训之四 沈红波 第3页 一、双螺杆挤出发展历程 n20世纪40年代， Erdmenger 发明了同向 完全齿合型双螺杆挤出 机，50年代 W ZE 型-Berstorff; APV -APV（Baker Perkins） nTEX-日本制钢所; 莱斯特里公司Leistritz- ZSE型 . n螺杆组合,就是指挤出机螺杆的结构组成,不同 组合以达到不同物料
2、生产需要,螺杆组合能达到 分散/剪切两种效果,解决物料的混和均匀要求, 对生产稳定性有重要意义. 第5页 二、螺杆组合原理和应用的主要内容 n1.螺杆组合的基本结构和各部分特点； n2.螺杆组合设计的基本原则 ； n3.啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型 和整根螺杆的组合设计 ； n4.玻纤增强粒料制备的螺杆构型设计设计 ； n5.特殊螺杆组合元件应用举例 ； n6.类别产品现有组合特点和设计思路。 第6页 三、 螺杆组合的基本结构和各部分特点 n1.挤出机螺杆分两大部分,就是芯轴和螺纹套; n2.螺纹元件-输送元件和剪切元件 第7页 3.螺纹套元件分类和特点 n3.1 输送元件种类
3、从导程 和元件长度 来分 ， 96/96 72/72 56/56 72/32 56/28 72/36L 56/28L ； n3.2 剪切元件 就是通常说的捏合块,由单个的剪切 块捏合在一起,片数不定,一般5/7片; 900/5/56 300/7/72 450/5/36 600/5/56 n3.3 输送元件输送机理； n3.4 剪切元件剪切机理； n3.5 正反元件差异； 第8页 4.挤出机型的机械设计参数 任意同向旋转双螺杆挤出机的几何参数限定为3个 : 1.啮合处间隙； 2. 内外直径比（OD/ID）； 3. 比扭矩（功率/容积比，即用扭矩/中心距的三次方 （M/a3）表示）。 一根螺杆的螺
4、纹顶部处在与之配合的另一根螺杆 螺纹根部和侧面之间 第9页 四、螺杆组合设计的基本原则 n同向双螺杆的特点是: 转速较高并且在啮合区(两螺杆在 横截面图中的重叠部分) 不同位置处有较接近的相对运动速 度, 所以可以产生强烈、均匀的剪切; n 几何形状决定了其纵向流道必定开放, 使两螺杆之间产 生物料交换。交换时, 原处于一根螺杆螺槽底部的物料将运 动到另一根螺杆螺槽的顶部。纵向流道的开放还使横向流 道开放成为可能, 来实现同一螺杆相邻螺槽间物料的交换。 这使同向双螺杆具有较好的分布混合能力, n螺杆组合是双螺杆挤出工艺制定的关键。同向双螺杆挤出 以混炼为主, 螺杆组合要考虑到主辅料性能与形状、
5、加料顺 序与位置、排气口位置、机筒温度设置等等。 第10页 4.1 混合的两个定义 n1.分散混合 固态物料、聚合物凝胶以及液滴等粒子尺寸减小的过程； 指将少组分细化, 如将无机填料粉碎及将玻纤丝切短 等, 它取决于剪切应力(或剪切速率) ; n2.分布/分配混合 改变各组分在混合体系中的空间位置的过程； 分布混合与物料粘度无关，与单位能量输入也无关 指减少少组分在多组分中分布的非均匀性, 它则取决于剪 切应变剪切应变很难求得, 用周向流量和轴向回流量来衡 量分布混合效果 第11页 4.2 典型螺杆组合图例 第12页 4.3 捏合段的设计原则 n1.凹槽内物料承受的平均剪切速率 减小螺棱间隙及
6、增大螺纹头数都可提高平均剪切速率, 亦 即可增强单块捏合块的混炼能力。 2.捏合块间的错列角 是决定捏合段工作性能的一个关键参 数 3.注意捏合段的压力须与和它相连的正、反向螺纹段中的 压力相匹配；各自的轴向流量和轴向压力梯度的关系曲线 第13页 五、啮合同向双螺杆挤出过程不 同功能段的螺杆构型 n啮合同向双螺杆挤出过程一般由加料、 固体输送、熔融、熔体输送、混合、排 气等功能段组成。 n不同的功能段需要不同的局部螺杆构型 与它相适应,以完成不同的功能。 第14页 5.1 加料段和固体输送段的螺杆构型 n1.加料段 一般采用大导程、正向螺纹输送元件加大螺槽深度 的非标准螺纹元件 n2.固体输送
7、段 把物料输送,同时松散 的粉状低松密度物料压 实或提高粒状物料在螺槽中的充满度,以促进物料在 下游的熔融塑化 第15页 5.2 熔融塑化段的螺杆构型 n1.评价用于熔融塑化段局部螺杆构型的好坏的标准 应当是它能将机械剪切能变成热能而使物料熔融得 最快、最彻底,又不使物料温度升高,即能量利用最 合理。 n2.熔融塑化给定聚合物的最佳螺杆局部构型取决于 物料的比热、熔点、熔体粘度及聚合物在固体状态 时粒子的大小。 第16页 5.2 用于熔融的局部构型 第17页 5.3Berstorff 用于熔融的局部螺杆构型 第18页 5.4 挤出熔融过程影响因素 物料及螺杆的几何尺寸确定 n1.沿螺槽方向的压
8、力梯度 n2.机筒温度 n3.固体颗粒在螺槽内的充满度,它亦可以用来计算所 研究的控制体中的固体颗粒的个数 n4.固体颗粒的初始温度 n5.螺杆温度 n6.机筒的拖曳速度(与螺杆速度有相同的意义) 沿螺 槽方向的分量 第19页 5.5排气区和用于熔体输送的螺杆局部构型 n1.上游的螺杆上应设置密封元件,将熔体密封,以建 立起高压;在排气区,即与排气口对着的螺杆区段,应 使物料在螺槽中充满度较低,并与大气或真空泵相 通，（可采用多头小导程螺纹元件 ） n2.熔体对螺杆的充满长度取决于物料的粘度、螺杆 导程、螺杆转数、加料量和口模阻力影响建压能力 的有螺纹导程和螺纹头数 （返料） 第20页 5.6
9、 混合段的螺杆构型 n啮合同向双螺杆挤出机的混合功能最重要,因而混合段的螺 杆构型设计具有非常重要的意义 n啮合同向双螺杆挤出过程的熔融阶段也就是混合开始的阶 段 第21页 六、整体螺杆组合设计 n根据经验理论实验相结合的方法进 行设计整体螺杆组合设计 n螺杆示例： 第22页 6.1 整体螺杆设计前的考虑点 n1.混合作业的目的,最终制品的配方和加入双螺杆 挤出机进行混合时物料中各组分的形态、性能和配 比。因为不同聚合物、不同添加组分及其配比对挤 出过程、螺杆构型、运转条件的要求是不同的。 n2.对各种螺杆(及机筒) 元件及各功能区的局部螺杆 构型、工作原理和性能及适用场合有较全面而深入 的了
10、解 n3.就整个混合工艺而言,对加料方式、加料顺序有 无特殊要求也必须弄清楚。 第23页 6.1 整体螺杆设计前的考虑点 n4.挤出过程主要是实现分布性混合,则应使物料在 螺杆中流动时能不断重新取向,使其与剪切方向成 45。 适当松弛提高前面降低的粘度 n5.挤出过程主要是实现分散性混合, 则螺杆构型的 设计与分布混合就有所不同。分散混合的关键变量 是应力,只有能提供大的剪应力,才能使结块和液滴 破裂,这就要在螺杆(机筒) 中设置高剪切区,而且 要使物料多次通过这些高剪切区。 第24页 6.2 附 分布分散混合典型示例 n高填充PP典型应用 第25页 6.3用于玻纤增强产品的螺杆构型设计 n1
11、.一般说来,制品中的玻纤平均长度在0. 11. 0 mm之间为好,这既能保 证良好的制品性能,又使纤维具有良好的分散性。 n2.玻纤分散性好坏的标志是:玻纤以单丝而不是以原纱存在于制品中;制 品任意单位体积内的玻纤含量大致相等;制品中玻纤长度分布范围大致 相同 n3.影响分散性的因素有:合适的玻纤(合适的单丝直径及支数) 及浸润剂; 玻纤含量,粒料中玻纤含量越大,制品中玻纤分散性越差;合理的造粒工艺 和设备以及合理的注射工艺。 n4.最佳构型取决于基体聚合物特性、玻纤类型、相容剂和玻纤加入量, 同时与玻纤的加入及加入位置和操作条件的选择密切相关。用于玻纤 增强的螺杆构型设计,除了遵循同向双螺杆
12、一般构型设计时如何实现固 体输送、熔融、熔体输送和建压、排气的螺杆局部构型设计的原则外, 应重点考虑玻纤的加入和玻纤与聚合物熔体的混合。 第26页 6.3.1玻纤加入口上游和入口处的螺杆构型 n1.上游进行固体输送和熔融塑化, 对与聚合 物一起加入的其它助剂进行混合。 n2.玻纤加入口处应为大导程,使聚合物熔体到 达此处时为半充满状态,以留出空间容纳加入 的玻纤。 n3.经验规则：玻纤口前必须熔好，保证性能 的前提。 第27页 6.3.2 玻纤加入口下游螺杆构型 n1.两个任务,第一是把纤维束打开,第二是把纤维切短并把每 一根玻纤分布均匀并被熔体润湿。 n2.平均长度取决于聚合物和玻纤的比例,
13、也取决于剪切、混 合元件的选择 n3.粘度高的聚合物或加入高填充量玻纤的螺杆构型比低粘 度聚合物或加入低百分数玻纤所用的螺杆构型提供的剪切 应柔和一些。 n4.适于玻纤增强的螺杆元件一般是二头的,因为它的剪切比 较柔和,对玻纤不会造成过度的折断 n6.3.3 排气段和螺杆的最后区段（均化） 第28页 6.4 螺杆构型实例1 n1. 第29页 6.5 螺杆构型实例2 n增强PC、PC+油 第30页 七、双螺杆挤出机特殊螺纹元件的特点和应用 n1. 齿型盘C18 n2. 176/88LS 拉伸块 n3. 32/96输送型齿型盘 n4. 96/240强输送元件 n5. R-L斜齿齿型盘 第31页 7
14、.1、 引言 n聚合物共混物的高速增长，大大促进了人们对混 合加工设备的开发利用； n目前公认高效、连续混合加工设备的同向双螺杆 挤出机，螺杆组合逐步成为其应用过程的核心技 术， n组合设计主要按现代积木组合式原理，首要考虑 的是输送混合元件的合理使用，使其应用的物料 沿螺杆挤出方向产生有效更迭，形成较好的几何 流型，物料获得充分的分散和分布混合。 第32页 随聚合物共混持续发展，原材料的基料，添 加剂，填充物发生变化，本身特点对加工过 程的某些方面提出了更特殊的要求，如玻纤 增强，润滑剂，多种熔点物质混炼，晶须， 易分解材料等等一些特殊原料的引入，对原 有螺杆组合的某一方面如剪切、分散、分布
15、 作用需加强，或需弱化其中某一作用； 原有不同导程输送元件和不同角度的捏合元 件组合起来难以达到这些特殊要求； 因此，大大推动了特殊作用的新螺纹元件开 发和应用 7.2、发展动力 第33页 材料对螺杆组合特殊要求 n 玻纤增强类产品需保证长纤经剪切后长度均匀，且分散 分布良好； n 多种不同表面性质的无机填充物需分散良好； n 热敏感材料需低剪切热，强塑化分散效果的元件 n 原料中含大量润滑剂，影响塑化效率 n 普通输送元件不能满足低堆积密度物质的输送； n 高熔点物质需强塑化效果，集中剪切容易导致扭距增大 ，增加能耗； 第34页 项目 类型 特点主要应用 齿型盘C18外形为带齿圆盘 ，错开啮
16、合，齿 与轴向平行 1. 对长玻纤剪切效率高，利于 降低剪切热； 2. 对提高填充粉体分散效果明 显 斜齿齿型盘外形为带齿圆盘 ，错开啮合，齿 带一定斜度 与齿型盘C18对比，分散效果明显 ，尤其利于玻纤的分散 96/240强输送元 件 自由容积大，输 送动力方向角度 直接沿正轴向 高填充类产品提高单位时间进料 能力，尤其在低堆积密度类产品 ，有效避免下料口返料 176/88LS 拉伸块“S”型元件，类 似正反一对大导 程输送 提高塑化效率，在有限螺筒距离 内完成塑化且能耗比较低，剪切 热低 32/96输送型齿型 盘 输送元件螺棱上 开槽 形成漏流，分散能力强，产生剪 切热低 表一： 新螺纹元件类型、特性和应用表 第35页 1. 齿型盘C18 n图 n主要在剪切和分散方 面有特殊作用，尤其 在玻纤剪切上；齿型 盘的加入相当于在沿 物料流道上所设置的 障碍，影响螺槽通道 的畅通程度，对轴向 混合有直接影响，轴 向反混能力强； 第36页 2. 齿型盘和螺纹元件的组合 n该齿型盘设计成直齿型，每齿一面通中心轴，这
